月壤原位利用工程技术发展浅析

月壤原位利用技术作为月球资源原位利用技术体系中的重要环节,相关技术的工程化应用是未来实施月球探测及资源开发的重要内容,也是实现自给式月球探测和开发的起点。文章基于国内外月壤原位利用技术的发展现状和趋势,给出了月壤原位利用的工程技术路线。结合近期任务工程化实施的问题和难点,简要梳理了月壤原位制氧和月壤原位成型的技术方案和发展思路,旨在为后续月球资源探测和开发提供借鉴和指导。     

地聚合物基月球混凝土及其3D打印原位建造设想

月球基地建设是未来深空探测的关键支撑环节。文章基于国内外研究成果,探讨了原位利用月球资源研制地聚合物混凝土并进行基地建造的可行性。结果显示:地聚合物混凝土所需原材料90%以上可来源于月球原位资源,且在月球环境下具有良好的耐极端环境性能;基于挤出打印和粉末打印成型工艺,地聚合物材料可满足月球环境的施工需求与环境要求。总之,利用月球原位资源有望实现基于地聚合物的月球基地原位建造设想;但该设想尚处于概念设计阶段,仍然需要相关理论支撑、系统试验研究和可行性评估。     

月壤原位成型技术工程适用性浅析

月壤原位成型技术作为月球资源原位利用技术体系中的研究热点,是在月表制造建筑材料及实施月表基础设施建设的关键。文章基于国内外月壤原位成型技术发展现状,根据未来可能的月壤成型任务提出了5种月壤成型技术,分析了其各自涉及的成型体性能与任务需求的匹配性,成本及能耗约束,环境适应性以及成型工艺流程的可实现性等;梳理了形成了月壤原位成型领域的发展建议,对于后续月球资源探测和开发具有一定的借鉴和指导意义。     

月面设施原位建造技术的研究进展

月面设施原位制造技术是未来航天科技发展的热点技术之一。以美、欧为代表的航天强国及组织均开展了月球原位制造技术的研究,研制了原位制造设备,并开展了相应的地面工艺验证工作,积累了有价值的试验数据和技术参数。在充分调研及跟踪国内外月面设施原位建造最新成果的基础上,系统分析国内外月面设施原位建造技术的发展思路,为我国月球基地的建造提供参考,对我国的载人登月、月球基地等月球探测任务的实施具有重要意义。     

月球表面次生伽马与中子辐射环境模拟研究

月球表面以银河宇宙射线(GCR)为主引发的次生伽马谱和次生中子谱表征月壤的元素组成以及水冰含量,对于下一阶段的月球探测与资源原位利用是值得研究的重要内容。文章通过蒙特卡罗方法简单模拟与分析银河宇宙射线环境下月球表面簇射的伽马与中子辐射环境,结果表明:月球次生伽马谱具有明显的氢(2.23 MeV)、铝(0.83 MeV)、钙(3.53 MeV)、氧(6.13 MeV)、硅(1.77 MeV)谱线特征,水含量对其影响不大,但在高水含量时氢的谱线更为明显;月球表面次生中子谱形与月壤中水冰含量密切相关,随水冰含量增加热中子通量下降,0.01 eV中子的通量在20%含水量时比不含水时下降了72%。建议在后期月球探测计划中使用小型、低功耗的中子/伽马复合探测器,实现我国首次原位月球伽马/中子辐射环境探测,为未来进一步勘探月球原位水资源、矿产资源积累反演的基线数据。     

无人月球基地总体初步设想

构建月球基地是月球探测的核心目标之一。作为一个巨型项目,月球基地总体建设涉及空间运输、能源、结构构建、月面移动、资源利用、科学探索、测控通信等诸多方面。文章尝试论述构建无人月球基地的任务目标、核心功能与组成、概念方案、实施步骤等核心要素,提出构建无人月球基地的总体思路,为未来月球基地任务的实施提供参考。     

月基磁悬浮旋转抛射返回系统新技术

月球资源开发与利用是深空探测由“探”到“用”发展的内生源动力,是全球深空探测的热点研究领域。月球具有丰富的³He、钛、稀土金属等珍稀资源,受限于传统月地返回方式技术复杂度高、规模庞大、重复性差、经济性差等因素,各国对月球资源开发与运返利用均停留在“探”的阶段,对如何实现高效的“用”,尚未形成经济可行的技术方案。基于现有的磁悬浮和旋转飞轮技术,提出以磁悬浮旋转抛射为核心的月地返回系统新技术。该技术充分利用月表低温、弱重力等环境因素,实现月球资源可被重复、低成本、高频次地运返地球。     

一种综合式载人月球基地总体方案及建造规划设想

构建载人月球基地是实现对月球资源深度开发和利用的重要手段之一,文章提出了刚性舱、刚性＋柔性结构以及建造式等三种典型结构的载人月球基地方案,并对三种典型方案的优缺点进行对比分析,在此基础上提出了一种综合式载人月球基地方案设想,基地内部主体创新性地采用充气式柔性连接的方式,外部主体包括月壤防护层、植物密封舱和应急救生飞船,活动系统包括月球车和月球机器人。围绕该方案并结合文章提出的载人月球基地主要技术指标,并对载人月球基地选址、结构设计和构建、空间辐射防护、热管理、能源、通信与导航、生命保障和应急救生技术等关键技术方案进行了分析,为中国未来建设载人月球基地提供了参考。     

模拟月壤激光熔融成型工艺参数试验初探

月壤3D打印可以实现月球的原位资源利用,有望成为月球基地建设和持久运营维护的关键技术手段。文章综述了模拟月壤激光3D打印方法的研究现状,搭建了以CUG-1A模拟月壤为原料的激光熔融成型原理试验系统,并开展了常规环境工艺参数的初步试验。结果显示:激光功率和扫描速度影响激光熔融深度和直径,是模拟月壤激光熔融成型的关键工艺参数;模拟月壤熔融成型过程易出现孔洞、球化等典型缺陷,需要进一步对月壤激光相变机理和上述成型工艺参数进行解析优化。     

俄罗斯“月球-全球”和“月球-资源”探月任务

俄罗斯月球-全球-1着陆器将于2015年发射,主要目的是测试月球着陆器的软着陆技术。月球-全球-2轨道器计划于2016年发射,将先后在距月面500km、150km和50km的高度上飞行。2017年计划发射的月球-资源-1着陆器,将是搭载大量科学载荷和承担相应探测任务的月面科学研究站。与苏联时期所研制的月球车相比,分别在月球-资源-2和月球-资源-3着陆器上搭载的俄罗斯新一代月球车——月球车-3和月球车-4,将携带更加先进的科学仪器,能够精确分析采集样品的化学成分、光谱特征等。其运行模式包括行走、勘察、接近目标、接触目标和样品采集与分析,将对月球极区表面环境进行全面探测。结合对俄罗斯"月球-全球"和"月球-资源"探月任务的介绍,针对中国的探月计划提出如下建议:探月任务的实施,应以科学研究为主要目的,以建立月球基地为目标,借鉴国外探月技术,开展国际合作,为形成独立的月球科学体系打下坚实基础。     

“嫦娥三号”探测器月尘环境分析及试验要求

"嫦娥三号"是我国首个成功实施地外天体表面就位探测的航天器,在其研制过程中充分考虑了月面环境对探测器的影响,开展了针对性设计及地面验证工作。文章综述了探测器针对月尘环境方面的设计因素,总结了月面月尘激扬的因素及其相关数值分析工作,对月尘验证试验的设计及条件制定进行了说明。相关结果或工作思路可为后续月面探测器及火星表面探测器的研制提供参考。     

太阳电池月尘遮蔽模型分析及试验研究

扬起的月尘颗粒沉积在月球探测器的太阳电池表面,可导致其性能下降。文章基于层叠遮挡理论,建立了一种月尘遮蔽光线透射的理论模型,利用该模型开展了模拟月尘颗粒形状与粒径对遮蔽效果影响的分析和计算,并与NASA的同类模型进行了对比分析。分析结果显示:2种模型给出的相对透过率随沉积月尘面密度的变化趋势相同,均呈指数型衰减关系;在随月尘形状、粒径、透过率的变化方面,2种模型存在差异。利用月尘沉积与吸附试验装置实施了模拟月尘沉积试验,验证了所建立模型的正确性,其预测准确度优于NASA模型。     

月球无人采样返回探测器一体化热管理方案

针对我国首个月球无人采样返回探测器"嫦娥五号"所面临的散热难题,在调研国外月球采样返回探测器热控方案的基础上,通过论证提出一种"泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器"的一体化热管理方案。该方案能够实现"嫦娥五号"着陆器、上升器热量与热沉的综合管理与利用;同时在国内首次将高适应能力主动热控体系结构应用到深空探测航天器中,推动了我国深空探测航天器热控技术的跨越式发展。     

基于纹理特征的地貌的统计贝叶斯划分方法研究

通过研究“嫦娥一号”拍摄的月球影像灰度图纹理特征,对月貌进行划分,提出一种利用月球纹理特征结合月球影像的灰度值,采用贝叶斯分类法来进行月球地貌的分类。月球影像的纹理特征是由灰度共生矩阵计算出来的13种纹理特征量来刻画的。具体方法是：首先,选择能将不同月球地貌区分开的最佳纹理特征及提取这些最佳纹理特征所采用的相应最优窗口尺寸;其次,对这些提取出的纹理特征进行主成分分析,去除相关性,再运用贝叶斯分类法进行月貌分类。实验表明,该方法能很好地提取出月球表面的纹理特征,并能成功地对月球地貌单元进行自动识别和分类。最后制作完成的月球地貌分区图能为月球的进一步研究提供参考,为更好地探索月球提供详细的资料。     

软着陆验证试验中月面特性模拟方法

月面特性的模拟是月面软着陆验证试验的重要设计因素。文章结合探测器的设计状态和试验需求,论述了月面特性模拟的具体要求;基于月面地形统计分布规律,实现了月面原始形貌的模拟;通过高程剔除设计和模块化组合设计,实现了对多种典型月貌的快速模拟;最后通过月表反射特性的模拟,全面满足了试验要求,并取得了良好的试验效果。文中所述的模拟方法可为我国后续行星表面探测器及着陆技术的验证提供借鉴。     

Introduction to Japanese exploration study to the moon

The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) views the lunar lander SELENE-2 as the successor to the SELENE mission. In this presentation, the mission objectives of SELENE-2 are shown together with the present design status of the spacecraft. JAXA launched the Kaguya (SELENE) lunar orbiter in September 2007, and the spacecraft observed the Moon and a couple of small satellites using 15 instruments. As the next step in lunar exploration, the lunar lander SELENE-2 is being considered. SELENE-2 will land on the lunar surface and perform in-situ scientific observations, environmental investigations, and research for future lunar utilization including human activity. At the same time, it will demonstrate key technologies for lunar and planetary exploration such as precise and safe landing, surface mobility, and overnight survival. The lander will carry laser altimeters, image sensors, and landing radars for precise and safe landing. Landing legs and a precisely controlled propulsion system will also be developed. A rover is being designed to be able to travel over a wide area and observe featured terrain using scientific instruments. Since some of the instruments require long-term observation on the lunar surface, technology for night survival over more than 2 weeks needs to be considered. The SELENE-2 technologies are expected to be one of the stepping stones towards future Japanese human activities on the moon and to expand the possibilities for deep space science.